節(jié)理對巖體隧道變形影響的數值分析

吳 喬，高俊義

(1.延安大學 網絡信息中心；2.延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000)

目前，以“一帶一路”為契機，長、大深埋隧道將會迎來一股嶄新的建設高潮，我國也將更加重視對地下空間的利用。修建隧道所遇到的環(huán)境復雜多變，節(jié)理巖體是一種常見的地質條件，巖體介質的變形表現出非連續(xù)、大變形的特點，這就為工程安全帶來諸多隱患。而如何采取有效的措施來維持節(jié)理隧道的穩(wěn)定性以及保證施工的安全性將是隧道建設的一大瓶頸。針對此類問題,現有的理論與技術手段仍有許多不完善的地方。因此，在隧道工程中，節(jié)理發(fā)育的巖體的變形預測應當引起足夠的重視。

王文等[1]對已有的非連續(xù)變形分析程序進行了SSOR-PCG方法的改進，采用改進的方法對某公路隧道進行了穩(wěn)定性分析，并且加入了位移收斂準則，通過對關鍵點位移的監(jiān)測優(yōu)化了開挖順序。鄭穎人等[2]開展了節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定分析與破壞規(guī)律探討講座。鄭艾辰等[3]運用離散單元法，模擬了相同隧道尺度條件下不同節(jié)理間距的4組情況。張志明等[4]選取隧道典型開挖斷面，從總體位移和塑性變形角度對隧道開挖圍巖穩(wěn)定性及成形進行了有限元分析。高振光[5]針對某隧道所處的節(jié)理巖體條件，通過現場監(jiān)測和UDEC離散元數值模擬，對節(jié)理巖體隧道開挖引起地表沉降特征進行了分析。王兵[6]基于非連續(xù)變形分析方法的節(jié)理巖體隧道穩(wěn)定性開展了研究。張文勝[7]、彭雙喜[8]、楊忠民等[9]開展了巖體節(jié)理對隧道開挖穩(wěn)定性的影響分析、節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性分析及破壞機理和節(jié)理巖體中縱向間距對連拱隧道穩(wěn)定性的影響研究。綜上所述，節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定分析研究雖然取得了一定的成果，但是節(jié)理對巖體隧道變形影響的數值分析的復雜模型探究的報道較少。鑒于此，開展節(jié)理對巖體隧道變形影響的數值分析研究工作顯得十分必要。

本文首先采用3DEC離散元軟件構建完整巖體隧道模型、1條節(jié)理巖體隧道模型和2條節(jié)理巖體隧道模型；然后在三種計算工況條件下，計算完整巖體隧道模型和節(jié)理巖體隧道模型對巖體隧道位移與應力的影響；最后由計算結果對比分析，揭示節(jié)理對巖體隧道變形影響的規(guī)律。

1 模型構建

巖體隧道模型尺寸為50 m×50 m×50 m，假定隧道位于模型的中部位置，隧道模型為圓形。分別構建完整巖體隧道模型、1條節(jié)理巖體隧道模型和2條節(jié)理巖體隧道模型，其中1條水平節(jié)理構建在隧道中部，2條水平節(jié)理構建在隧道頂部以上1 m處，假定隧道直徑為10 m。單條節(jié)理巖體隧道模型網格劃分如圖1所示。

圖1 單條節(jié)理巖體隧道模型網格劃分

巖體隧道計算的相關參數如表1所示。

表1 巖體隧道的參數

模型各邊界條件固定，X、Y、Z方向各施加5 MPa的地應力，重力加速度假定為10 m/s2。經過多次試算，模型為計算600步的數值結果，巖體隧道在地應力的作用下，發(fā)生蠕變變形。

2 節(jié)理對巖體隧道位移影響

模型計算600步時，完整巖體與節(jié)理巖體隧道位移場如圖2所示。

由圖2A知，在完整巖體條件下，巖體的最大位移在隧道頂部達到6.7×10-4m，隧道由內到外其位移逐漸減小，在特定荷載下，位移只波及其前、后、左、右4面，并未波及模型的上、下部。由圖2A、B對比知，隧道中部增加一條水平節(jié)理后，巖體隧道最大位移仍然出現在隧道頂部，達到7.25×10-4m，隧道由內到外其位移逐漸減小；由圖2A、C對比知，隧道中、上部各增加一條水平節(jié)理后，巖體隧道最大位移仍然出現在隧道頂部，達到1.03×10-3m，隧道由內到外其位移逐漸減??；由圖2A、B、C綜合對比知，隨著模型隧道節(jié)理的增加，節(jié)理接觸處發(fā)生應力集中現象，這從B、C兩圖中位移值發(fā)生突變即可看出，導致隧道內頂部最大位移越來越大，增大幅度約為25.2%，隧道底部位移場由“凹”字形曲線轉化成“凸”字形曲線，說明隨著節(jié)理的增加，隧道底部產生的位移越來越大。

3 節(jié)理對巖體隧道拱梁位移影響

模型計算600步時，完整巖體與節(jié)理巖體隧道拱梁位移場如圖3所示。

圖3 完整巖體與節(jié)理巖體隧道拱梁位移場

由圖3A知，在完整巖體條件下，巖體隧道拱梁最大位移在拱梁頂部達到6.18×10-4m，巖體隧道拱梁由上到下其位移逐漸減小。由圖3A、B對比知，隧道中部增加一條水平節(jié)理后，巖體隧道拱梁最大位移仍然出現在拱梁頂部，達到6.74×10-4m，隧道拱梁由上到下其位移逐漸減小；由圖3A、C對比知，隧道中部和上部各增加一條水平節(jié)理后，巖體隧道拱梁最大位移仍然出現在隧道頂部，達到1.01×10-3m，隧道拱梁由上到下其位移逐漸減小；由圖3A、B、C與圖2綜合對比知，隨著隧道模型節(jié)理的增加，節(jié)理接觸處發(fā)生應力集中現象，巖體隧道位移大處其相應接觸處拱梁位移也對應較大，體現了隧道頂部傳力予拱梁的一致性，增大幅度約為29.5%，這與圖2完整巖體與節(jié)理巖體隧道位移場結果吻合。

4 節(jié)理對巖體隧道應力與位移影響

模型計算600步時，完整巖體與節(jié)理巖體隧道觀察點應力、位移如圖4、5所示。

由圖4知，三種工況下，隧道內頂部Z方向觀察點應力呈現出由小到大的壓應力，在計算約20步時，隧道Z方向觀察點位移呈現出急劇減小的態(tài)勢，這是由于加載初期，地應力和荷載共同作用顯著，其后隧道Z方向觀察點應力逐漸增大，這是因為隧道內頂部Z方向隧道拱梁承受(抵消)了向下的一部分作用力。由圖4與圖2綜合對比知，隨著隧道模型節(jié)理的增加，節(jié)理接觸處發(fā)生應力集中現象，隧道內頂部Z方向觀察點壓位移呈現出越來越大的態(tài)勢，模型計算達到約200步時，隧道內頂部Z方向觀察點壓應力達到穩(wěn)態(tài)。

圖4 完整巖體與節(jié)理巖體隧道觀察點應力

由圖5知，三種工況下，隧道內頂部Z方向觀察點位移呈現出由小到大的趨勢，在計算約20步時，隧道Z方向觀察點應力呈現出急劇減小的態(tài)勢，這是由于加載初期，地應力和荷載共同作用顯著，其后隧道Z方向觀察點位移逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，模型計算達到約200步時，隧道內頂部Z方向觀察點位移達到穩(wěn)態(tài)。由圖5與圖4綜合對比知，隨著隧道模型節(jié)理的增加，節(jié)理接觸處發(fā)生應力集中現象，隧道內頂部Z方向觀察點應力與位移呈現出較為一致的規(guī)律，即隨著節(jié)理增多，隧道內頂部Z方向觀察點位移與其應力呈正相關。

圖5 完整巖體與節(jié)理巖體隧道觀察點位移

5 結論

(1)隨著模型隧道節(jié)理的增加，節(jié)理接觸處發(fā)生應力集中現象，導致隧道內頂部位移越來越大，增幅約為25.2%，隧道底部位移場曲線由“凹”字形轉化成“凸”字形。

(2)隨著模型隧道節(jié)理的增加，巖體隧道位移大處其相應接觸處拱梁位移也對應較大，體現了隧道頂部傳力予拱梁的一致性，增大幅度約為29.5%。

(3)隨著模型隧道節(jié)理的增加，隧道內頂部Z方向觀察點壓應力呈現出越來越大的態(tài)勢，模型計算達到約200步時，隧道內頂部Z方向觀察點壓應力達到穩(wěn)態(tài)。

(4)隨著隧道模型節(jié)理的增加，隧道內頂部Z方向觀察點應力與位移呈現出較為一致的規(guī)律，即隨著節(jié)理增多，隧道內頂部Z方向觀察點位移與其應力呈正相關。